CN116289790B - 一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置及冰推力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置及冰推力计算方法，防冰推冰拔装置布置在冬季水位变化区土石坝上游坝坡表面开设的凹槽中，包括通过转轴结构铰接的上层混凝土板和下层混凝土板，转轴结构位于坝坡凹槽远离坝顶的一端；两混凝土板之间设有千斤顶，用以调节上层混凝土板的翻转角度；上层混凝土板上表面开设有若干矩形凹槽，矩形凹槽内放置由混凝土块拼接而成的组拼结构；混凝土块上开设有孔洞。防冰推冰拔装置通过对上层混凝土板调整不同角度和凹槽结构，能够达到防冰推冰拔效果。本发明提出的冰推力计算方法与规范对应情况良好，克服了规范仅给出经验值的缺点，具有较强实用性。

Description

一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置及冰推力计算方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置及冰推力计算方法。

背景技术

土石坝坝坡会遇到冻害、冰害的破坏作用，一方面，冻胀融沉循环作用会使护坡间隙不断增大，导致反滤层、垫层失去作用；另一方面，冰压力引起冰爬坡或推坡，导致坝坡面发生破坏。因此，土石坝坝坡的冰冻破坏是普遍存在的问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是针对土石坝坝坡的冰冻破坏问题，提出一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置，该防冰推冰拔装置应用于土石坝坝坡能够避免冰推冰拔破坏；本发明的第二目的是提出一种冰推力计算方法。

技术方案：本发明第一方面提供一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置，布置在冬季水位变化区土石坝上游坝坡表面开设的凹槽中；

所述防冰推冰拔装置包括通过转轴结构铰接的上层混凝土板和下层混凝土板，转轴结构位于坝坡凹槽远离坝顶的一端；两混凝土板之间设有千斤顶，用以调节上层混凝土板的翻转角度；

上层混凝土板上表面开设有若干矩形凹槽，矩形凹槽内放置由混凝土块拼接而成的组拼结构；混凝土块上开设有孔洞。

进一步地，上层混凝土板的翻转角度最大与水平面呈90°夹角，最小为坝坡坡角。

进一步地，混凝土块呈等腰直角三角形，其斜边开设有沿对称轴对称的等腰梯形孔，在等腰梯形孔的两侧形成咬合部；混凝土块之间通过咬合部进行咬合拼接。

进一步地，开设在混凝土块上的孔洞包括开设在两45°角处的小三角形孔，开设在直角处的小圆形孔，以及开设在混凝土块主体部分的两个大三角形孔。

进一步地，开设的孔洞关于混凝土块的对称轴对称。

进一步地，考虑混凝土块上的两个大三角形孔沿坝坡方向向上收缩的锐角受冰推的破坏作用最大，因此，对两个大三角形孔作圆角处理。

进一步地，对于布置在土石坝上游坝坡表面的多个防冰推冰拔装置，相邻的上层混凝土板通过铰链连接，以实现同步翻转。

进一步地，下层混凝土板远离转轴结构的一端边缘设有止水材料，用以防止水流入两混凝土板之间的夹层。

本发明第二方面提供一种冰推力计算方法，土石坝坝坡采用第一方面所述的防冰推冰拔装置，土石坝坝坡冰推力F采用公式(1)计算：

其中，F为冰推力；α为上层混凝土板材料系数，α＝α₁*α₂*α₃，α₁为表面粗糙度，α₂为形状系数，α₃为接触条件系数；m为上层混凝土板的坡度；h为当日最大冰厚；为温升率，/>取一天平均气温与最高或最低气温差的绝对值；T为升温时间；v为平均风速；H为坝前水深。

因防冰推冰拔装置布置在冬季水位变化区土石坝坝坡表面的凹槽中，因此，求土石坝坝坡所受的冰推力即为求上层混凝土板所受冰推力。

以往计算坝坡冰推力只能根据规范提供的经验值进行插值计算，本发明给的冰推力计算方法，经检验与规范对应情况良好，具有较强实用性。

进一步地，削减后的最大冰厚h₀采用公式(2)计算：

其中，h₀为削减后的最大冰厚；K₁和K₂为系数；C₁为上层混凝土板上所有矩形凹槽内未填充满部分在坝坡垂直投影面积的周长；d为混凝土块厚度；S为上层混凝土板在坝坡上的投影面积；θ₁为翻转展开后的上层混凝土板与水平面的夹角；θ为上游坝坡与水平面的夹角；

将削减后的最大冰厚h₀代入公式(1)，计算削减后的冰推力。

若削减后的冰推力不理想，可对上层混凝土板角度及凹槽结构作进一步调整，并用上述的公式再进行校核。

本发明的工作原理为：

当发生冰推冰拔时，上层混凝土板为主要受力对象，其中主要是对混凝土块造成磨损，避免了对坝坡的直接破坏。

通过调整上层混凝土板的角度，改变其坡度，能够削减冰推力。上层混凝土板能够改变角度使得防冰推冰拔装置具有很强的适应性，可满足冬季不同气侯地区不同坡度土石坝的应用条件。

通过改变上层混凝土板凹槽深度，当装置刚设置时未发生冻结，冰未爬上上层混凝土板中，最大冰厚即公开资料中的数据；当完全冻结后，冰布满上层混凝土板的凹槽中，最大冰厚就被削减了；凹槽深度越大，能够滞留的冰就越多，冰厚削减效果越好。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)能够避免大坝护坡冰推冰拔破坏，延长大坝护坡使用寿命；

(2)装置维护时，只需更换磨损的混凝土块或上层混凝土板即可，操作简单，成本低；

(3)汛期时，防冰推冰拔装置可作为消浪护坡结构，具有降低波浪爬高和防冲刷的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例中防冰推冰拔装置的结构示意图；

图2是本申请实施例中上层混凝土板的结构示意图；

图3是本申请实施例中混凝土块的结构示意图；

图4是本申请实施例中混凝土块间的拼接结构示意图；

图5是本申请实施例中防冰推冰拔装置安装在土石坝坝坡上的示意图；

图6是图5中防冰推冰拔装置使用状态示意图；

图7是本申请实施例中冰推力计算结果比对图；

附图标记：1，上层混凝土板；2，下层混凝土板；3，转轴结构；4，千斤顶；5，止水材料；6，坝体填土；7，反滤层；8，上游护坡；9，土工膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本申请实施例提供的一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置，该防冰推冰拔装置包括形状、大小和厚度完全相同的上层混凝土板1和下层混凝土板2，二者通过转轴结构3连接，在下层混凝土板2远离转轴结构3的一端边缘设有止水材料5。在上层混凝土板1和下层混凝土板2之间的中间夹层设有千斤顶4，该千斤顶4固定在下层混凝土板2上，用于驱动上层混凝土板1翻转。

本实施例中，上层混凝土板1呈矩形，长1m，宽0.64m，厚度取坝坡保护层厚度的0.4倍。

结合图2至图4，上层混凝土板1的上表面开设有四个深度、面积相等，沿面板两条对称轴对称的矩形凹槽。矩形凹槽到面板边缘和相邻矩形凹槽的距离都为5cm。四块矩形凹槽内均放置由24块混凝土块拼接而成的组拼结构。本实施例中，混凝土块的材质为水工混凝土。

混凝土块呈等腰直角三角形，其斜边挖去一个沿对称轴对称的等腰梯形，等腰梯形两侧形成咬合部，混凝土块之间通过咬合部进行咬合拼接。混凝土块截去的等腰梯形下底边长应略大于等腰直角三角形斜边截去梯形后剩余两段的长度之和，如图3所示。在两侧45°角处各挖去一个小三角形，在顶端直角处挖去一个小圆，在中心线靠左靠右位置挖去两个大三角形。挖去的小圆和等腰梯形关于中心线是轴对称图形，挖去的一大一小两对三角形关于中心线对称。考虑到混凝土块挖去的两个沿坝坡方向向上收缩的锐角受冰推的破坏作用最大，因此做了圆角处理。

单个矩形凹槽中，混凝土块沿矩形宽度方向分为三排，上下两排先放置底边紧贴凹槽边缘的3块混凝土块，然后2个交点处剩余直角正好以另外2块混凝土块的直角对准后嵌入，上下两排每排5块。中间一排由每4块混凝土块组成的类似矩形的图案的构成，一排有3组，共12块，矩形凹槽剩余四个角区域由混凝土块沿对称轴切割后得到的半混凝土块填充，共2块。

如图5所示，为防冰推冰拔装置安装在土石坝坝坡上的示意图。土石坝包括坝体填土6，在土石坝上游侧设有土工膜9、反滤层7和上游护坡8。在冬季水位变化区土石坝上游护坡表面开挖凹槽，凹槽形状为矩形，长边平行于水平面，长度取迎水坝段长度，宽度取下层混凝土板2的宽度，深度取坝坡保护层厚度。凹槽顶部高程略超过历年冬季最高水位。

将防冰推冰拔装置安装在开挖的凹槽中，下层混凝土板2位于下方，转轴结构3位于坝坡凹槽远离坝顶的一端。上层混凝土板1的翻转角度最大与水平面呈90°夹角，最小为坝坡坡角

夏季无冰冻且水位较高时，将上层混凝土板1完全折叠，止水材料5能够防止水流流入中间夹层，此时防冰推冰拔装置起减少波浪爬高和防冲刷作用。冬季水面结冰后，展开上层混凝土板1，撤去止水材料5，用千斤顶4将上层混凝土板1顶起，如图6所示。

当土石坝上游侧设置的防冰推冰拔装置数量为多个时，将相邻的上层混凝土板1通过铰链进行连接，以实现多块上层混凝土板1展开时的联动性。

本申请实施例还提供一种冰推力计算方法，土石坝坝坡采用本申请实施例中所述的土石坝坝坡防冰推冰拔装置。

因防冰推冰拔装置布置在冬季水位变化区土石坝坝坡表面的凹槽中，求土石坝坝坡所受的冰推力即为求上层混凝土板1所受冰推力。

作用在坝坡上，即上层混凝土板1上的冰推力F采用公式(1)计算：

其中，F为冰推力，kN/m；α为上层混凝土板1材料系数，α＝α₁*α₂*α₃，α₁为表面粗糙度，α₂为形状系数，α₃为接触条件系数；m为上层混凝土板1的坡度；h为当日最大冰厚，m；为温升率，/>取一天平均气温与最高或最低气温差的绝对值，℃；T为升温时间，h；v为平均风速，m/s；H为坝前水深，m。

上述升温时间T一般以上午8时到下午14时计算，取6h。

削减后(即防冰推冰拔装置作用后)的最大冰厚h₀采用公式(2)计算：

其中，h₀为削减后的最大冰厚，m；K₁和K₂为系数；C₁为上层混凝土板1上所有矩形凹槽内未填充满部分在坝坡垂直投影面积的周长，m；d为混凝土块厚度，m；S为上层混凝土板1在坝坡上的投影面积，m²；θ₁为翻转展开后的上层混凝土板1与水平面的夹角，rad；θ为上游坝坡与水平面的夹角，rad。

本实施例中，由拼接方式可求得C₁与上层混凝土板1周长C₂的关系为C₁/C₂＝7.75。

将削减后的最大冰厚h₀代入公式(1)，计算削减后的冰推力。

以下给出一个具体的示例，对上述冰推力计算方法作进一步说明。

经查询公开资料，土石坝历年最大冰厚为0.8m，那一天最低气温为-15℃，平均温度为-10℃，平均风速为5m/s，坝前水深为10m，上游坝坡坡度为1:2，拦水坝段长度为20m。

制作防冰推冰拔装置上层混凝土板1矩形凹槽深度为8cm，矩形凹槽中填充的混凝土块表面粗糙度α₁为1.2，形状系数α₂为1.5，接触条件系数α₃为0.5。

上层混凝土板1展开至坡度为1:1.9，K₁和K₂依次为0.1和0.15。

先求防冰推冰拔装置刚布置完时，土石坝的冰推力。查《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)得此时冰推力为215kN，由公式(1)得冰推力为227.20kN，检验得符合要求。

进一步，计算冰厚分别为0.4m、0.6m、1.0m、1.2m时公式(1)所求冰推力，与《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)给出的静冰压力值进行对比，结果见表1和图7。可间，公式计算结果与规范值非常接近。

表1

冰厚(m)	公式求值/(kN/m)	经验求值/(kN/m)	误差百分比
				0.4	86.619	85	1.90％
0.6	186.267	180	3.48％
				0.8	227.200	215	5.67％
1.0	255.970	245	4.48％
				1.2	278.753	280	0.45％

经过一段时间发生冻结后，计算单位长度上防冰推冰拔装置削减后的冰厚：

h₀＝0.8×(1-0.1×0.08×7.75×1.64×2÷0.64-0.15×0.523333÷0.436111)

＝0.402m

由计算结果可见，防冰推冰拔装置对冰厚的削减作用较为显著，此时利用公式(1)计算冰推力F＝87.187kN，由此可见防冰推冰拔装置具有明显减小冰推力的作用，能够有效地保护土石坝坝坡。

本发明在具体实施时，可遵循如下的步骤。

首先，收集坝址区基本资料，包括气温、冰厚、水位、风速等，并通过公式(1)计算出坝坡所受的冰推力。

然后，设计能够满足工艺要求的防冰推冰拔装置，利用公式(2)计算削减后的冰厚，并用公式(1)进行校核，确定上层混凝土板调整的角度和凹槽结构等，是否能够达到预计的防冰推冰拔效果。如果不能，则重复此步骤，直至防冰推冰拔装置能够达到要求。

接着，制作防冰推冰拔装置；在冬季水位变化区坝段坝坡表面开挖形状为矩形，长边平行于水平面，长度为迎水坝段长度，宽度为装置下层混凝土板宽度，深度为坝坡保护层厚度的凹槽。凹槽顶部高程应略超过历年冬季最大水位。将装置下层混凝土板宽对准凹槽短边嵌入坝坡凹槽中，用装置填满凹槽。

最后，展开上层混凝土板至设计的角度，来削减坝坡最大冰厚和冰推力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种土石坝坝坡防冰推冰拔装置，其特征在于，布置在冬季水位变化区土石坝上游坝坡表面开设的凹槽中；

所述防冰推冰拔装置包括通过转轴结构(3)铰接的上层混凝土板(1)和下层混凝土板(2)，转轴结构(3)位于坝坡凹槽远离坝顶的一端；两混凝土板之间设有千斤顶(4)，用以调节上层混凝土板(1)的翻转角度；

上层混凝土板(1)上表面开设有若干矩形凹槽，矩形凹槽内放置由混凝土块拼接而成的组拼结构；混凝土块上开设有孔洞；

上层混凝土板(1)的翻转角度最大与水平面呈90°夹角，最小为坝坡坡角；

混凝土块呈等腰直角三角形，其斜边开设有沿对称轴对称的等腰梯形孔，在等腰梯形孔的两侧形成咬合部；混凝土块之间通过咬合部进行咬合拼接；

下层混凝土板(2)远离转轴结构(3)的一端边缘设有止水材料(5)，用以防止水流入两混凝土板之间的夹层；

首先收集坝址区基本资料，计算出坝坡所受的冰推力，然后设计能够满足工艺要求的防冰推冰拔装置；

土石坝坝坡冰推力F计算公式如下：

其中，F为冰推力，kN/m；α为上层混凝土板(1)材料系数，α＝α₁*α₂*α₃，α₁为表面粗糙度，α₂为形状系数，α₃为接触条件系数，α₁为1.2，α₂为1.5，α₃为0.5；m为上层混凝土板(1)的坡度；h为当日最大冰厚，m；为温升率，/>取一天平均气温与最高或最低气温差的绝对值，℃；T为升温时间，h；v为平均风速，m/s；H为坝前水深，m；

削减后的最大冰厚h₀计算公式如下：

其中，h₀为削减后的最大冰厚，m；K₁和K₂为系数，K₁和K₂依次为0.1和0.15；C₁为上层混凝土板(1)上所有矩形凹槽内未填充满部分在坝坡垂直投影面积的周长，m；d为混凝土块厚度，m；S为上层混凝土板(1)在坝坡上的投影面积，m²；θ₁为翻转展开后的上层混凝土板(1)与水平面的夹角，rad；θ为上游坝坡与水平面的夹角，rad；

将削减后的最大冰厚h₀代入冰推力计算公式，计算削减后的冰推力。

2.根据权利要求1所述的土石坝坝坡防冰推冰拔装置，其特征在于，开设在混凝土块上的孔洞包括开设在两45°角处的小三角形孔，开设在直角处的小圆形孔，以及开设在混凝土块主体部分的两个大三角形孔。

3.根据权利要求2所述的土石坝坝坡防冰推冰拔装置，其特征在于，开设的孔洞关于混凝土块的对称轴对称。

4.根据权利要求2所述的土石坝坝坡防冰推冰拔装置，其特征在于，两个大三角形孔作圆角处理。

5.根据权利要求1所述的土石坝坝坡防冰推冰拔装置，其特征在于，对于布置在土石坝上游坝坡表面的多个防冰推冰拔装置，相邻的上层混凝土板(1)通过铰链连接，以实现同步翻转。